Mod´ elisation climatique

C’est donc afin de permettre l’´etude de diff´erents ph´enom`enes, principalement le r´echauf- fement climatique, ainsi que de leurs r´epercussions sur l’activit´e humaine et les ressources naturelles que les mod`eles climatiques ont ´et´e ´elabor´es. Ces mod`eles sont des simulations informatiques bas´ees sur les lois physiques fondamentales visant `a reproduire de fa¸con r´ea- liste le comportement climatique terrestre, en mod´elisant plusieurs ph´enom`enes comme les ´

echanges d’´energie entre la Terre, les oc´eans, l’atmosph`ere et l’espace, les transferts radiatifs et la circulation de l’air et de l’eau dans l’atmosph`ere, la circulation oc´eanique, les nuages et les ´echanges de carbone entre l’atmosph`ere et la plan`ete. Le premier mod`ele atmosph´erique a vu le jour en 1950, et, au d´ecompte de 2007, c’´etait une vingtaine de diff´erents mod`eles qui s’offraient aux chercheurs `a travers le monde. Ces mod`eles cr´eent un maillage de l’espace en tuiles de plusieurs kilom`etres de cˆot´e, et prennent en compte la troisi`eme dimension en superposant des boˆıtes afin de mod´eliser les interactions entre les diff´erentes couches de l’at- mosph`ere. Ces mod`eles sont d’une complexit´e impressionnante : selon leR´eseau canadien en mod´elisation et diagnostics du climat r´egional (MDCR), pour chaque pas de temps et pour chaque point de grille, ce sont plus de 100 000 instructions qui sont ex´ecut´ees. Ainsi, ce ne sont pas les connaissances qui, actuellement, limitent le d´eveloppement de ces mod`eles, mais plutˆot les ressources informatiques.

3.2.1 MRCC, mod`ele climatique

La version du Mod`ele r´egional du climat canadien (MRCC) telle qu’elle a ´et´e utilis´ee pour ce projet a ´et´e d´evelopp´ee par (Caya et Laprise (1999)). Ce nouveau mod`ele ´etait tr`es diff´erent de ses pr´ed´ecesseurs en cela qu’il utilisait un noyau dynamique bas´e sur les ´equations du champ d’Euler, permettant une utilisation sous toutes les ´echelles spatiales. Ses perfor- mances sont aujourd’hui limit´ees aux pas de temps de quinze minutes et aux points de grille s´epar´es d’une distance inf´erieure `a 45 km. Contrairement aux mod`eles globaux, les mod`eles r´egionaux permettent de limiter la simulation du climat `a une r´egion donn´ee du globe, per- mettant des r´esolutions beaucoup plus fines. Par exemple, la r´esolution du MRCC permet la simulation de processus climatiques de petite dimension tels que le d´eveloppement des nuages ou des orages, les pr´ecipitations, l’´evaporation et l’humidit´e au sol. Ce type de mod`ele doit cependant ˆetre aliment´e par les donn´ees de mod`eles de circulation g´en´erale aux fronti`eres lat´erales et inf´erieures, technique nomm´ee emboˆıtement. `A partir de ces conditions initiales, le mod`ele r´egional g´en`ere ses propres structures et produit un sc´enario possible du climat de cette r´egion. Ainsi, non seulement les territoires moins nantis en terme de qualit´e ou de quantit´e de donn´ees m´et´eorologiques peuvent-ils ˆetre ´etudi´es grˆace aux mod`eles r´egionaux du climat, mais la simulation du climat futur est aussi `a notre port´ee.

Utilisation du mod`ele

Le MRCC version 4.2.3 a ´et´e mis `a profit dans le cadre de ce projet, pour la p´eriode de simulation 1961-2001, sur un domaine centr´e sur le Qu´ebec (111 × 87 points de grille) avec r´esolution horizontale de 45 km. La simulation a ´et´e pilot´ee `a ses fronti`eres par les champs atmosph´eriques provenant des r´eanalyses globales ERA40 de l’ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts ReAnalyses (Uppala et al. (2005))), publiquement dis- ponibles sur une grille globale r´eguli`ere de 2.5 × 2.5 ˚ lat-lon. Le nom op´erationnel de cette simulation est aft et sera r´eutilis´e dans la pr´esentation des r´esultats. De toutes les sorties fournies par cette simulation, seule la variable mod´elisant l’´evapotranspiration, Qf s (Music et Caya (2007)), a ´et´e exploit´ee dans le cadre de ce projet. Notons cependant que le mod`ele climatique fournit plusieurs autres variables qui pourraient trouver emploi dans les travaux futurs.

3.2.2 Couplage de mod`eles

Une telle utilisation de donn´ees climatiques dans une recherche portant sur le calage d’un mod`ele hydrologique fait appel `a la notion de couplage de mod`eles. L’utilisation du couplage de mod`eles hydrologique et atmosph´erique, principalement pour l’´evaluation des impacts en contexte de changements climatiques, a connu son essort au d´ebut des ann´ees 2000 et a ´

et´e mise `a profit dans plusieurs ´etudes, notamment par Bindlish et Barros (2000), Robert et al. (2000) ainsi que Soulis et al. (2000). Deux types de couplage peuvent ˆetre distingu´es en fonction du degr´e d’interactions des mod`eles : les mod`eles dit li´es (one-way coupling) et les mod`eles v´eritablement coupl´es (two-ways coupling). La premi`ere approche consiste `a ef- fectuer les ´etapes de mod´elisation de fa¸con successive, sans interactions. Ainsi, le climat sera pr´ealablement simul´e, puis les sorties du mod`ele climatique serviront `a alimenter le mod`ele hydrologique (Pietroniro et al.(2001)). Ce type de couplage est tr`es courant, et a ´et´e utilis´e parCarrer et al.(2009), notamment, afin d’estimer les effets des changements climatiques sur la recharge des bassins versants de l’Est du Canada, mais aussi par Mimikou et al. (2000) et

Prudhomme et al.(2003). C’est aussi ce type de couplage qui pr´evaudra dans le cadre de cette recherche puisque les variables du mod`ele climatique seront utilis´ees afin de guider la para- m´etrisation du mod`ele hydrologique vers la physique (voir la Section4.3.3 pour les d´etails de l’utilisation des donn´ees climatiques). Notons que le processus d’´evapotranspiration est ainsi simul´e de fa¸con ind´ependante par le mod`ele climatique et le mod`ele hydrologique, et c’est cette particularit´e qui permettra l’application de la m´ethode d´evelopp´ee dans ce m´emoire. La deuxi`eme strat´egie de couplage de mod`eles implique un ´echange d’informations complet entre les deux types de mod`eles, ainsi qu’un sch´ema de surface commun, comme CLASS par exemple. Les processus hydrologiques sont donc simul´es une seule fois par les deux mod`eles. Le couplage de WATCLASS au Mod`ele r´egional de climat canadien (MRCC) par le Centre canadien de la mod´elisation et l’analyse climatique (CCmaC) en est un exemple valant la peine d’ˆetre mentionn´e. Ce type de couplage est d´elicat `a mettre en place pour plusieurs raisons, notamment puisqu’il demande un support informatique puissant, puisque les rivi`eres ne sont pas mod´elis´ees par les mod`eles climatiques et puisqu’une conversion d’´echelles est n´e- cessaire (les bassins versants ´etant mod´elis´es `a une ´echelle inf´erieure `a 1 km pour les mod`eles hydrologiques et `a une ´echelle sup´erieure `a 45 km pour les mod`eles climatiques). Ainsi, tr`es peu d’exemples de ce type de couplage sont r´epertori´es dans la litt´erature.